第二章燃烧与大气污染(1)

1、l第一节燃料与燃烧过程 l第二节燃烧计算 l第三节燃烧污染物的形成与控制 l重点：（二）燃烧计算 l理论空气量 l烟气量 l污染物排放量 l燃料的定义： l 指燃烧过程中能放出热量，且经 济上可行的物质。 l燃料的分类燃料的分类： l （1）常规燃料）常规燃料 l 如煤（coal）、petroleum、天然气(rude gas) 等。 l （2）非常规燃料）非常规燃料 l 按其物理状态分为按其物理状态分为： l （1）固体燃料）固体燃料：挥发分被蒸馏后以气态燃烧 （蒸气控制）；留下的固定炭以固态燃烧（扩 散控制）。 l （2）液体燃料：）液体燃料：由蒸发过程控制（气态形式 燃烧）。 l (3)

2、气态燃料气态燃料：由扩散或混合控制。 l定义：定义：是一种复杂的物质聚集体。主要 可燃成分是C、H及少量O2、N2、S等一 起构成的有机聚合物。 l 性质：性质：煤中有机成分和无机成分的含量 因种类、产地不同而异。 分类：分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟煤、 无烟煤。 l l a.褐煤：褐煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最 低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色， 象木材结构。 l特点：特点：挥发分较高，析出温度低；燃烧热值低， 不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。 1.分类：分类：按基于沉积年代的分类法分为褐煤、烟 煤、无烟煤。 l l a.褐煤：褐

3、煤：是由泥煤形成的初始煤化物，是煤中等级最 低的一类，形成年代最短。呈黑色、褐色、泥土色， 象木材结构。 l特点：特点：挥发分较高，析出温度低；燃烧热值低， 不能制炭。干燥后：C含量6075%，O2含量2025%。 b.b.烟煤烟煤：形成历史较褐煤长。黑色，外形有可形成历史较褐煤长。黑色，外形有可 见条纹。见条纹。 l挥发分挥发分2045%，C7590%。成焦性较强，。成焦性较强， 氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使氧含量低，水分及灰分含量不高，适宜工业使 用。用。 lc.c.无烟煤：碳含量最高，煤化时间最长的煤，碳含量最高，煤化时间最长的煤， 具有明显的黑色光泽，机械强度高。具有明显的

4、黑色光泽，机械强度高。 lC含量含量93%,无机物量无机物量1 l3 3空燃比（空燃比（AFAF） l定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它定义：单位质量燃料燃烧所需的空气质量，它 可由燃烧方程直接求得。可由燃烧方程直接求得。 l4 4理论空气量的经验理论空气量的经验计算公式 l已知元素分析可用式2.11计算； l若知燃料的热值可用式2.132.17计算。 0 a a V V a l例：某燃烧装置采用重油作燃料，重油 成分分析结果如下（按质量）C：88.3%， H：9.5%,S：1.6%，灰分：0.10%。试确 定燃烧1kg重油所需的理论空气量。 l解：以1kg重油燃烧为基础，则： 重量（g

5、）摩尔数 （mol） 需氧量 （mol） C88373587358 H954752375 S160505 H2O05002780 l理论需氧量为： l73.58+23.75+0.5=97.83 mol/kg重油 l假定空气中N2与O2的摩尔比为3.76(体积 比) 则，理论空气量为： mol/kg重油 l即 Nm3/kg重油 67.465176. 383.97 43.10 1000 4 .22 67.465 l一烟气体积计算一烟气体积计算 l. . 理论烟气体积理论烟气体积 l在理论空气量下，燃料完全燃烧所生成的烟气体积称 为理论烟气体积。以Vfg0表示，烟气成分主要是CO2、 SO2、N2和

6、水蒸气。 l干烟气：除水蒸气以外的成分称为干烟气； l湿烟气：包括水蒸气在内的烟气。 lVfg0=V干烟气+V水蒸气 lV理水蒸气=V燃料中氢燃烧后的水蒸气+V燃料中 l +V理论空气量带入的 l2实际烟气体积实际烟气体积Vfg0 Vfg = Vfg0 + (a-1)Va0 l3.烟气体积和密度的校正烟气体积和密度的校正 l燃烧产生的烟气其T、P总高于标态（273K、1atm）故 需换算成标态。 l大多数烟气可视为理气，故可应用理气方程。 l设观测状态下（Ts、Ps下）：烟气的体积为Vs，密度为 s。 l标态下（TN、PN下）： 烟气的体积为VN，密度为N。 l标态下体积为： l标态下密度为：

7、 l应指出，美国、日本和国际全球监测系统网的标准态 是298K、1atm在作数据比较时应注意。 S N N S SN T T P P VV N S S N SN T T P P P l5. 5.过剩空气较正过剩空气较正 l因为实际燃烧过程是有过剩空气的，所以燃烧 过程中的实际烟气体积应为理论烟气体积与过 剩空气量之和。 l用奥氏烟气分析仪测定烟气中的CO2、O2和CO 的含量，可以确定燃烧设备在运行中烟气成分 和空气过剩系数。 l空气过剩系数为 a= l m-过剩空气中O2的过剩系数 l设燃烧是完全燃烧，过剩空气中的氧只以O2形 式存在，燃烧产物用下标P表示， m1 理论空气量 实际空气量 l

8、假设空气只有O2、N2,分别为21%、79%，则空气中总 氧量为 l 理论需氧量： 0.266N2P-O2P l 所以 l （燃烧完全时） 若燃烧不完全会产生CO，须校正。即从测得的过剩 氧中减去CO氧化为CO2所需的O2 l l 此时 l各组分的量均为奥氏分析仪所测得的百分数。 l6 6 标况下烟气量计算标况下烟气量计算的经验式：的经验式：P36 2.232.28。 PPP NOCONmOmC 22222 67. 311 PP P ON O a 22 2 266. 0 1 PPP PP COON COO a 5 . 0266. 0 5 . 0 1 22 2 l例例2 对例1给定的重油，若燃料

9、中硫转 化为SOX（其中SO2占97%），试计算空 气过剩系数a=1.20时烟气中SO2及SO3的 浓度，以ppm表示，并计算此时烟气中 CO2的含量，以体积百分比表示。 l解解：由例1可知，理论空气量条件下烟气组成 （mol）为： lCO2：73.58 H2O：47.5+0.0278 lSOX：0.5 NX： l理论烟气量：理论烟气量： 73.58+0.5+(47.5+0.0278)+( )=489.45mol/kg重油 l即 489.45=10.96m3/kg重油 l空气过剩系数a=1.2时，实际烟气量为： l 其中10.43为理论空气量，即1Kg重油完全燃烧 所需理论空气量。 76. 3

10、83.97 76. 383.97 l烟气中SO2的体积为 l烟气中SO3的体积为 l所以，烟气中SO2、SO3的浓度分别为： l KgNm/0109. 0 1000 4 .2297. 05 . 0 3 KgNm/1036. 3 1000 4 .2203. 05 . 0 34 ppmC ppmC SO SO 75.2510 05.13 1036.3 25.83510 05.13 0109.0 6 4 6 3 2 l当=1.2时，干烟气量为： lCO2体积为： l所以干烟气中CO2的含量（以体积计）为： KgNm/985.112 . 043.10 1000 4 .22 0278. 05 .4745

11、.489 3 重油KgNm/648.1 1000 4 .22 58.73 3 %75.13100 985.11 648.1 l例例3：已知某电厂烟气温度为473K，压力为 96.93Kpa,湿烟气量Q=10400m3/min，含水汽 6.25%（体积），奥萨特仪分析结果是：CO2占 10.7%，O2占8.2%，不含CO，污染物排放的质 量流量为22.7Kg/min。 l（1） 污染物排放的质量速率（以t/d表示） l（2） 污染物在烟气中浓度 l（3） 烟气中空气过剩系数 l（4）校正至空气过剩系数=1.8时污染物在烟 气中的浓度。 l解：解：（1）污染物排放的质量流量为： l l l （2）

12、测定条件下的干空气量为： l l 测定状态下干烟气中污染物的浓度： l l l 标态下的浓度： l dt Kg t d h h Kg /7.32 1000 24 min60 min 7.22 min/97500625.0110400 3 mQ d 36 /2.232810 9750 7.22 mmgC Nmmg T T P P CC N N N 3 /0 .4217 273 473 93.96 33.101 2 .2328 l （3）空气过剩系数： l （4）校正至=1.8条件下的浓度： 613. 1 2 . 81 .81268. 0 2 . 8 1 268. 0 1 22 2 PP P ON

13、 Q NmmgC CC 3 /9 .3778 8 . 1 613. 1 0 .4217 8 . 1 校 实 实校 l一、燃料中硫的氧化机理一、燃料中硫的氧化机理 l 燃料中的硫在燃烧过程中与氧反应，主要产物是SO2和 SO3，但SO3的浓度相当低，即使在贫燃料状态下，生成的 SO3也只占SO2生成量的百分之几。在富燃料状态下，除SO2 外，还有一些其它S的氧化物，如SO及其二聚物（SO）2， 还有少量一氧化二硫S2O。这些产物化学反应能力强，所以 仅在各种氧化反应中以中间体形式出现。 l燃烧时： l 故一般主要生成一般主要生成SO2,计算时可忽略计算时可忽略SO3。 l二、二、SOxSOx的控

14、制的控制 l（1 1）重油脱硫）重油脱硫 l 重油脱硫常用的方法：在钼、钴和镍等的金 属氧化物催化剂作用下，通过高压加氢反应， 加断碳与硫的化合键，以氢置换出碳，同时氢 与硫作用形成H2S，从重油中分离出来。 l重油脱硫的困难: l (1)要彻底加工燃料，破坏了原来的组织。 l （2）产生新的产物：固、液、气态物。 l2燃料脱硫燃料脱硫 l）煤炭的固态加工煤炭的固态加工 l 国外要求用于发电、冶金、动力的煤质标准是： l 炼焦煤：硫分 CaO+CO 2 CaO+SO 2+1/2O2 CaSO4 (2)燃烧中脱硫燃烧中脱硫 l在锅炉尾部烟道上安装活化反应器,将烟气增湿, 延长滞留时间,使剩余的吸

15、收剂和2发生反 应。 l石灰石中的CaCO3含量应超过90，石灰石的颗 粒度应是80以上的颗粒尺寸小于40m。此 时炉内脱硫反应所能达到的脱硫效率为2030 l活化反应器的烟气进口温度一般在110140， 当将活化反应器出口处烟温控制在比露点温度 高510、Ca/S2时，有可能使活化反应器 的脱硫效率达到60，从而使总脱硫效率达到 80。 未反应的CaO遇水反应生成Ca(OH)2并在活化反应器中发生了如下的反应： SO2（气）+H 2OH2SO3 H 2SO3H +HSO 3 - CaO+H 2OCa（OH）2 Ca（OH） 2Ca 2+2OH- Ca 2+HSO 3+1/2H2OCaCO31

16、/2H2O+H + 2H +2OH- H 2O 总反应式：CaO+H 2OCa（OH）2 Ca（OH） 2+SO2CaSO31/2H2O+1/2H2O 炉内喷钙增湿活化脱硫流程示意图炉内喷钙增湿活化脱硫流程示意图 流化床燃烧脱硫流化床燃烧脱硫具有炉内脱硝脱硫炉内脱硝脱硫的优点，故普遍受到重 视。 l原理：流化床燃烧是一低温燃烧过程。炉内存在局部还原 气氛，热型Nox基本上不产生，因而NOx的气成量减少。 l 流化床燃烧脱硫常用的脱硫剂是石灰石或白云石。石灰 石粉碎至与煤同样的粒度（dp2mm左右）与煤同时加入炉 内。在10731173K下燃烧： l （CaO为多孔） 达固硫目的。 硫酸盐石灰石

17、 受热 22 SOOCCO a l影响脱硫效率的因素影响脱硫效率的因素有：沸腾床温度、流化速 度、脱硫剂用量等。脱硫剂用量以Ca/S比表示。 l脱硫率与脱硫率与和硫化速度的关系和硫化速度的关系： l当硫化速率一定时，随Ca/S 的增大而增大； l当Ca/S比一定时，随硫化速度的增加而降低。 /32 1 .40/ 的含量燃料消耗量 的含量脱硫剂消耗量 摩尔比 S C S Ca a l循环流化床燃烧脱硫循环流化床燃烧脱硫最大的特点是炉内 具有强烈的传热传质特性，有利于燃料燃 烧，不仅适用于煤燃烧，还可以适用于热 值小的燃料，如煤矸石、城市垃圾的燃烧。 循环流化床炉内燃烧温度保持在900左 右，有利

18、于燃烧过程脱硫。石灰石在该温 度下分解形成氧化钙，与二氧化硫和氧反 应形成硫酸钙，而硫酸钙在这个温度下不 容易再次分解，比一般的其他锅炉1200 有优势。从工业运行的经验来看，但炉内 钙/硫摩尔比在1.8-2.5时，脱硫效率可以达 到90%以上。 l目前主要有吸收法和吸附法，以吸收法 应用最为广泛，另外还有许多物理方法， 如电子辐射法、等离子法等正在积极发 展中。吸收法中又分为湿法和干法脱硫， 其中湿法脱硫是商业应用最为广泛的方 法，如石灰（石）-石膏法，海水脱硫、 钠碱法、氨吸收法等，干法中有旋转喷 雾吸收法、烟气循环流化床脱硫等。 l石灰（石）石灰（石）-石膏法湿法烟气脱硫石膏法湿法烟气脱

19、硫 l湿法烟气脱硫的过程：烟气以120左右的温度进入脱 硫吸收塔（预先除尘和加热），在吸收塔内与含20 30%的石灰石粉浆料或20%左右的Ca(OH)2乳浊液接触， SO2被吸收反应生成亚硫酸钙，亚硫酸钙又被氧化成硫 酸钙。由于石灰石的溶解度及活性受限制，以石灰石 为脱硫剂的方法其脱硫率一般在85%左右，适用于脱 硫SO2浓度为中等偏低的烟气。而熟石灰（Ca(OH)2） 有较强的碱性，较易吸收SO2，所以石灰乳湿法脱硫能 达到95%以上的脱硫效率，并且适应于SO2浓度较高的 烟气。吸收塔底槽的石膏浆先在水力旋流分离器中稠 化到固体浓度约为40%，然后排出反应塔，经过带式 真空过滤机过滤，脱除其

20、中的大部分水分。由此制得 的副产石膏可回收利用，亦可抛弃处置。 脱硫塔喷淋格栅鼓泡液柱 原理 吸收剂浆液在吸收 塔内经喷嘴喷淋雾 化, 与烟气接触过 程中，吸收并去除 SO2 吸收剂浆液在吸收塔 内沿格栅填料表面下 流,形成液膜与烟气接 触去除SO2 吸收剂浆液以液层形 式存在，而烟气以气 泡形式通过，同时发 生吸收反应去除SO2 吸收剂浆液由布置在塔 内的喷嘴垂直向上喷 射,形成液柱并在上部 散开落下,在高效气液 接触中, 吸收去除SO2 脱硫率95%以上 （逆流接触） 95%以上90%95%以上 运行 喷嘴易磨损、堵塞格栅易结垢、堵塞， 系统阻力较大 系统阻力大， 无喷嘴堵塞问题 喷嘴能有

21、效防止堵塞、 结垢问题 维护喷嘴易损坏, 需要定期检修更换 经常清洗除垢运行较稳定可靠运行较稳定可靠 自控水平中高较高中 l反应塔中发生如下化学反应： l SO2（气）+H2O SO2（液）+H2O l S O 2 （ 液 ） + H 2 O H + + H S O 3 2H+SO32 l HSO3+1/2 O2 HSO4(部分) l SO32+1/2 O2 SO42 (部分) l Ca(OH)2 Ca2+2OH(部分) l Ca2+ SO32 CaSO3(部分) l Ca2+ SO42+2H2O CaSO4 .2H2O(部分) l H+OH H2O l在循环氧化槽中发生如下反应： l HSO

22、3+1/2 O2 HSO4 H+ + SO42 l SO32+1/2 O2 SO42 l Ca2+ SO42+2H2O CaSO4 .2H2O l由于亚硫酸钙的结垢和管路堵塞问题， 脱硫反应中的PH值并不是越大约好。工 业实验表明脱硫区的PH值范围为58，氧 化池中的PH值范围为3.55.5。 l为了增强氧化槽内的氧化速率，适当的 催化剂，如Mn2+等对氧化是有利的。 l为了减少结垢和堵塞，在氧化槽内布置 结晶种子，采用大的液气比等。 l为了减缓由于石灰浆的加入，溶液PH发 生较大波动，加入一些弱酸如已二酸对 系统的运行是有利的。 l海水烟气脱硫 l基本原理： l海水中含有碳酸盐和碳酸氢盐 l

23、海水的PH值为7.5-8.3 l天然碱度约为2.0-2.9mg/L l可吸收SO2为亚硫酸 l脱硫海水中SO2的氧化 l （1）亚硫酸易分解 SO2容易重新排到大海（气液平衡分压理论） l （2）加入稀释的海水 3-4倍于脱硫海水 （抑制亚硫酸分解， 稀释SO2浓度） PH由3-4到6.5-7 l （3）鼓入空气氧化亚硫酸根到硫酸根 l海水脱硫的主要特点： （）工艺简单，无需脱硫剂的制备，系统可 用率高（100%）。 （）脱硫效率高，可达95以上。 （）不需要添加脱硫剂，也无废水废料，管 理容易。 （）与其他湿法工艺相比，投资低，运行费 用也低。 （）只能用于海边电厂，需要常年对海水碱 度进行

24、监测。 （）只能适用于燃煤含硫量小于1.5%的中低 硫煤。 l它先用碱金属盐类如钠盐的水溶液吸收 SO2，然后在另一个石灰反应器中用石灰 或石灰石将吸收了SO2的吸收液再生，再 生的吸收液返回吸收塔再用，而SO2还是 以亚硫酸钙和石膏的形式沉淀出来。由 于其固体的产生过程不是发生在吸收塔 中的，所以避免了石灰石/石灰法的结垢 问题。 l氨法原理是采用氨水为脱硫吸收剂，与进入吸 收塔的烟气接触混合，烟气中SO2与氨水反应， 生成亚硫酸铵，经与鼓入的强制氧化空气进行 氧化反应，生成硫酸铵溶液，经结晶、离心机 脱水、干燥器干燥后即制得化学肥料硫酸铵 l由于氨水与SO2反应速度要比石灰石（或石灰） 与

25、SO2反应速度大得多，同时氨法不需吸收剂 再循环系统，因而系统要比石灰石石膏法小、 简单，其投资费用比石灰石石膏法低得多。 （）在工艺中不存在石灰石作脱硫剂时的结垢和 堵塞现象 （）氨水来源也是选择此工艺必要条件。 （）氨法工艺无废水排放，除化肥硫酸铵外也无 废渣排放。 l由于只采用NH3一种吸收剂，只要增加一套脱 硝装置的情况下就能高效地控制SO2和NOx的 排放。 l.电子束辐射脱硫 l主要原理： （）自由基的产生 l电子束照射，能量被氮、氧、水蒸气吸收, 生成自由基OH，O， HO2, 反应的活性强 l（） SO2与NOx的氧化 lSO2（OH作用）HSO3（OH作用）H2SO4 lSO

26、2（O作用）SO3（H2O作用）H2SO4 lNO（OH作用）HNO2（O作用）HNO3 lNO（HO2作用）NO2OH lNO（O作用）NO2（OH作用）HNO3 lNO2（O作用）NO3（O作用）N2O5（H2O作用） 2HNO3 （）硫铵和硝铵的生成 l注入氨发生中和生成硫氨与硝铵的气溶胶微颗粒, 反应时间仅为1 秒左右 l工艺流程 l烟气在冷却塔中由130变为适合脱硫脱 硝的65，并且冷却水全部汽化。 l氨肥在电除尘器中被捕获 l净化后的烟气由引风机增压与未处理烟 气混合升温排到烟囱。 l主要特点有： （）是一种干法处理过程，不产生废水废渣。 （）可达到90以上的脱硫率和80以上的脱硝

27、率。 （）系统简单，操作方便，过程易于控制。 （）对于不同含硫量的烟气和烟气量的变化有较好的适 应性和负荷跟踪性。 （）副产品为硫铵和硝铵混合物，可用作化肥。 （）脱硫成本低于石灰石/石膏，约为850元/tSO2。 le 德国鲁奇公司在70年代开发了循环流化床脱硫技术。 l原理 l是在循环流化床中加入脱硫剂石灰石已达到脱硫的目的 l特点 （）由于流化床具有传质和传热的特性，所以在有效的 吸收SOx的同时还能除掉HCI和HF等有害气。 （）可通过喷水将床稳控制在最佳反应温度下，通过物 料的循环使脱硫剂的停留时间增长，大大提高钙利用 率和反应器的脱硫效率。用此法可处理高硫煤，在 Ca/S为1-1.5时，能达到90-97%的脱硫效率。 （）与湿法相比，结构简单，造价低，约为湿法投资的 50%。 （）运行可靠，由于采用干式运行，产生的最终固态产 物易于处理。 l旋转喷雾干